色散介质中光的协变理论

关于玻璃及其他低损耗色散介质中光的时间和位置相关能量与动量密度的相对论理论——其中不同波长的光以不同相速度传播——至今在很大程度上仍是一项未解决的挑战。考虑到对麦克斯韦方程组的卓越理论理解以及对色散介质中光学现象的大量实验测量，这令人惊讶。该挑战与部分波干涉图样的复杂性以及场与介质动力学通过光力的耦合有关。在本工作中，我们利用光的质量-极化子理论 [Phys. Rev. A 96, 063834 (2017)] 推导场与色散介质的应力-能量-动量（SEM）张量。我们的出发点，即能量和动量的基本局域守恒律，接近于 Philbin 近期关于色散介质中光的理论工作 [Phys. Rev. A 83, 013823 (2011)]，然而后者排除了描述场与介质间耦合的功率转换和力密度源项。在一般惯性系中，我们以洛伦兹标量、四矢量和场张量的形式给出 SEM 张量，以透明方式反映理论的洛伦兹协变性。场与介质的 SEM 张量是对称的、形式不变的，并完全符合狭义相对论的协变原理。光耦合场-介质态的 SEM 张量亦具有零四散度。因此，色散介质中的光具有明确定义的四动量和静止系。光总能量和动量密度的体积积分与具有非零静止质量的质量-极化子准粒子模型一致。我们工作的预言可直接由实验验证。